Question

小华同学为了节能和方便家人洗澡，用废弃的汽油桶在房顶上自制了一个简易太阳能热水器，如图是它的安装示意图．在水箱上下安有二根管子，其中一根是进出水管，给热水器上冷水或淋浴时用热水，都是通过进出水管来完成，室内进出水管上安有三个阀门．
若当地的大气压强p=1.0×10⁵Pa，请回答下列问题：
（1）小华为什么要在热水器上方安装一根与大气相通的管子A？
（2）根据阀门I、II、Ⅲ的位置，说明它们的作用是什么？如何调节喷头出水的温度？
（3）给热水器上冷水时，阀门I、II、III应当处于何种状态？洗澡时，阀门I、II、III应当处于何种状态？
（4）如果小华同学住的居民楼层高为3m，他家的热水器安装在七楼楼顶上，且距楼顶高1m，那么该地区的水压至少为多大，才能顺利为热水器上水？
（5）设热水器水箱容积为100L，在一般的光照条件下，一满箱12℃的水经白天太阳的加热温度可达到45℃，这相当于多少煤气完全燃烧放出的热量？，煤气的热值约4.2×10⁷J/kg）

Answer

（1）用一根管子和外界相连通，构成连通器，主要作用是排出桶内的气体和加水过多时，向外溢水．
（2）阀门Ⅰ的作用是控制向水箱内加入冷水；阀门Ⅱ的作用是控制进入淋浴喷头的热水；阀门Ⅲ的作用是控制进入淋浴喷头的冷水．调节阀门Ⅱ和阀门Ⅲ进入淋浴喷头的冷热水的来可以改变淋浴喷头喷出的水的温度．
（3）加冷水时，阀门Ⅰ打开，阀门Ⅱ和Ⅲ关闭，冷水即可通过进水管进入到水箱内．洗澡时阀门Ⅰ关闭，阀门Ⅱ和Ⅲ打开．
（4）水箱的高度h=3m×7+1m=22m，加水时需要克服水的压强和外界大气压强，因此，通过公式P=P水+P=ρ水gh+P计算出需要的水压．
（5）首先通过公式m=ρV计算出水的质量，再通过公式Q吸=cm（t-t）计算出水吸收的热量，即为煤气完全燃烧放出的热量，再用Q吸除以煤气的热值q求出煤气的质量m．
【解析】
（1）A管的作用一是排气，二是溢水．因为汽油桶改做水箱后，如果不安装A管排气的话，上水时会把一些空气密闭在里面，就不易将水注满；而且，上方的空气还影响箱内水温升高．
（2）阀门Ⅰ的作用是控制进入水箱的冷水；阀门Ⅱ的作用是控制进入淋浴喷头的热水；阀门Ⅲ的作用是控制进入淋浴喷头的冷水．
通过阀门Ⅱ调节进入淋浴喷头的热水多少、阀门Ⅲ调节进入淋浴喷头的冷水的多少，这样就可以改变淋浴喷头喷出的水的温度．
（3）给热水器上水时，阀门Ⅰ应打开，阀门Ⅱ、阀门Ⅲ应关闭．洗澡时，阀门Ⅰ应关闭，阀门Ⅱ、阀门Ⅲ应打开．
故答案为：阀门Ⅰ打开，阀门Ⅱ、阀门Ⅲ关闭；阀门Ⅰ关闭，阀门Ⅱ、阀门Ⅲ打开．
（4）水箱距地面高度h=22m．该地区的最低供水水压，
P=P水+P=ρgh+p=1.0×103kg/m3×10N/kg×22m+1×105Pa=3.2×105Pa．
答：该地区的最低供水水压为3.2×105Pa．
（5）水的体积V=100L=0.1m3，水的质量m=ρV=1.0×103kg/m3×0.1m3=100kg．
水箱内的水吸收的热量
Q吸=cm（t-t）=4.2×103J/（kg•℃）×100kg×（45℃-12℃）=1.39×107J．
如果靠煤气燃烧放出这些热量，需完全燃烧的煤气的质量为
m===0.33kg．
答：需要燃烧煤气的质量为0.33kg．